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5-D CNN超混沌加密方案实现IMDD-OFDM-PON系统PAPR抑制与安全增强，通过混沌系统生成动态相位因子和加密密钥，结合子块循环移位策略消除侧带信息，在25km单模光纤传输中实现3.1 dB PAPR降低和10^825量级密钥空间，有效抗暴力破解。
张颖|苏杰|王嘉琪|姚文祥|张玉敏|庞福飞|王婷云
特种光纤与光接入网络重点实验室，特种光纤与先进通信联合国际研究实验室，上海大学，中国上海200444
摘要
本文提出了一种基于五维细胞神经网络（5-D CNN）的新型峰均功率比（PAPR）抑制和加密方案。该方案有效解决了强度调制直接检测OFDM无源光网络（IMDD-OFDM-PON）中存在的高PAPR和安全漏洞问题。5-D CNN超混沌系统在基于部分传输序列（PTS）的框架内同时生成加密密钥和动态相位因子，从而提高了传输安全性和频谱效率。此外，引入了频域子块循环移位策略，在保持低计算复杂性的同时消除了旁路信息开销。对7.5 Gb/s 16正交幅度调制（16-QAM）加密OFDM信号在25公里单模光纤上传输的仿真和实验结果表明，该方案实现了高达3.1 dB的PAPR降低，并支持高达10^825的密钥空间，有效抵抗了暴力攻击。这些结果证实了该方案在同时提高系统安全性和降低PAPR方面的有效性。
引言
随着光纤通信技术的成熟，光纤已成为现代通信网络的骨干，提供了高容量、高数据率和宽带传输能力[1]。此外，无源光网络（PON）以其高带宽、成本效益和强抗干扰能力成为宽带接入网络的重要组成部分[2]。然而，由于PON系统在下行传输中的点对多点拓扑结构，它们容易受到未经授权实体的窃听。近年来，物理层加密越来越受到关注，以确保通信的保密性和真实性。混沌加密作为一种主流的物理层加密技术，因其遍历性、伪随机性以及对初始条件和控制参数的高敏感性而受到重视[3]。目前，电气领域的多维混沌加密技术——如混沌编码、星座掩码、时频扰码和子载波扰码——已被广泛用于显著提高PON系统的安全性。
正交频分复用（OFDM）已被广泛用于具有多个光网络单元（ONUs）的系统中，以提高下行传输性能。然而，OFDM固有的高峰均功率比（PAPR）在信号转换和放大过程中常常会引起非线性失真，导致带内和带外性能下降[4]。现有针对强度调制直接检测OFDM-PON（IMDD-OFDM-PON）系统中PAPR的缓解研究大致可以分为两类。第一类涉及信号失真技术，如削波和滤波[5]、压缩[6]、峰值窗口化[7]和主动星座扩展（ACE）[8]。第二类涉及非失真技术，主要包括基于编码和扰码的方法。基于编码的方法采用灰度互补码[9]、离散傅里叶变换（DFT）[10]、正交循环矩阵变换（OCT）[11]、离散哈特利变换（DHT）[12]、离散余弦变换（DCT）[13]和沃尔什-哈达玛变换（WHT）[14]等策略。扰码方法包括选择性映射（SLM）[15]和部分传输序列（PTS）[16]、[17]、[18]。基于失真的方法相对简单，但不可避免地会导致带内失真并增加比特错误率（BER）[19]。相比之下，基于编码的方法避免了失真，但通常计算复杂度高，尤其是在子载波数量较多时[20]，这会降低整个系统的吞吐量[21]。信号扰码技术在不失真的同时保持了信号质量，但仍面临相位因子优化和传输冗余方面的挑战。
本文在先前研究的基础上改进了PTS技术。许多研究提出了旨在降低计算复杂性和PAPR性能的PTS改进方法。这些方法包括遗传算法[22]、粒子群优化（PSO）[23]、蚁群优化（ACO）[24]、两级搜索算法[25]、连续无约束PSO[26]、并行禁忌搜索（TS）算法[16]、回溯搜索算法（BSA）[27]等。然而，大多数现有算法忽略了信息传输中的冗余性，无法为OFDM基光网络中常用的IMDD系统提供足够的适应性。目前也有基于概率整形的研究报告。通过使用概率整形混淆和三色扰动，可以在一定程度上提高系统的安全性。然而，依赖概率形变的随机性和扰动的不确定性进行安全保护对小参数扰动的敏感性较低，且密钥空间也相对有限[28]、[29]。
本文提出了一种基于5-D CNN的新型高安全性PAPR抑制方案。在所提出的方法中，5-D CNN用于生成PTS的相位因子序列和加密的混沌序列。该方案结合了频域加权和子块循环移位，从而提高了PAPR降低性能并增强了IMDD-OFDM系统的安全性。通过避免生成旁路信息，该方法保证了低计算复杂性和高效带宽利用的实值输出信号。此外，它还简化了OFDM系统中的加密和解密过程。此外，PTS子块的频域循环移位不仅使发射机能够生成多个候选信号以降低PAPR，还同时对频域信号进行扰码和加密，而不会引入额外的计算开销。所有实验都重复进行了多次以消除随机性。结果表明，该方案实现了高达3.1 dB的PAPR降低，具有低复杂性、强密钥敏感性和10^825的密钥空间，能够抵抗穷举攻击。
部分摘录
5-D CNN超混沌系统
在传统的光通信系统混沌加密方案中，混沌序列的初始值通常是直接分配的[30]。然而，这种做法引入了潜在的安全漏洞，因为获取这些初始值的未经授权的窃听者可能会解密传输的数据。为了克服这一限制，本文提出了一种新的混沌加密方案，在该方案中，混沌系统的初始值不是直接分配的，而是
实验设置
为了评估所提出方案的性能，构建了一个基于IMDD-OFDM-PON系统的25公里单模光纤传输链路，如图4所示。在光线路终端（OLT），通过基于MATLAB的离线数字信号处理（DSP）生成加密信号。系统采用了16-QAM调制，具有128个OFDM子载波，每个子载波携带30个符号，IFFT/FFT大小为512点。有效数据被映射到128个子载波上，而剩余的
结论
本文提出了一种创新的IMDD-OFDM-PON系统方案，同时提高了PAPR降低和安全性性能。该方法结合了PTS技术和5-D CNN超混沌系统来生成相位因子，而循环子块移位实现了加密。值得注意的是，该方案消除了传输旁路信息的需要，从而提高了频谱效率。为了更好地适应IMDD调制，该方案替换了时域
CRediT作者贡献声明
张颖：撰写——原始草稿、软件、方法论、数据管理、概念化。苏杰：资金获取、数据管理。王嘉琪：可视化、资源管理。姚文祥：可视化、形式分析。张玉敏：项目管理。庞福飞：撰写——审阅与编辑、验证。王婷云：方法论、研究。
资助
中国北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室开放基金（IPOC2024B08）；中国上海交通大学先进光通信系统与网络国家重点实验室开放基金（2024GZKF008）。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
